分享：某发动机涡轮叶片缘板掉块原因

刘丽玉1,2,3,4,张 剑1,熊继春1,陈 俊1,2,3,4 

(1.中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京 100095; 3.航空工业失效分析中心,北京 100095;4.中国航空发动机集团检测与评价重点实验室,北京 100095) 

摘 要:某发动机涡轮叶片在试车过程中缘板处出现掉块和裂纹。采用宏观分析、低倍腐蚀、断 口分析等方法对涡轮叶片缘板处的掉块原因进行了分析。结果表明:涡轮叶片缘板出现掉块和裂 纹性质为持久断裂失效,涡轮叶片缘板裂纹产生原因与缘板位置小角度晶界角度过大有关。建议 将此型涡轮叶片的小角度晶界技术条件要求由不大于8°提高到不大于6°。

关键词:涡轮叶片;缘板;掉块;小角度晶界 中图分类号:V232.4 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0058-05

单晶高温合金作为现代先进发动机涡轮转子叶 片用材得到广泛应用,其主要原因在于消除了晶界, 尤其是消除了垂直于应力轴方向的横向晶界,因此 在高温下晶界不再成为裂纹源。消除晶界改善了合 金强度和塑性,提高了持久强度,使单晶高温合金具 有优异的高温性能[1-2]。对于一个不应含有任何晶 界的完整晶粒来说,在常规合金中正常存在的晶界 则成了单晶高温合金的冶金缺陷。单晶高温合金中 晶界的缺陷有两种,一种是大角度晶界(包括再结晶 缺陷、雀斑、斑马晶等);另一种是小角度晶界(包括 条带等)。小角度晶界一般指晶界取向差小于10° 的晶界,相比于大角度晶界,小角度晶界不易引起位 错塞积,故应力、应变更易协调,但是小角度晶界的 存在仍会对合金性能产生不利的影响[3-6]。尤其在 高温环境下,小角度晶界会导致晶体变形不均匀,加 速变形速率及蠕变裂纹的形成而成为孔洞和裂纹 源,导致叶片出现提前失效[7]。由于涡轮叶片结构 复杂,定向凝固过程中温度场、溶质场不稳定,不可 避免地会形成小角度晶界[8]。在实际应用中,允许 存在小于一定角度的小角度晶界。小角度晶界对不 同服役条件下或者不同形式下的性能影响也不一 样,与晶界角度大小也相关[9]。因此,在工程应用 中,针对这类缺陷需要制定技术条件要求或者标准。 标准过严,导致合格率过低,造成过度浪费;标准过 松,会导致零件提前失效。所以根据零件服役环境、 受力情况选择合适的小角度晶界控制标准,对单晶 高温合金的工程应用具有重要的意义。 某发动机当试车进行到186h时,其高压涡轮 叶片缘板处出现掉块,叶片材料为镍基单晶合金。 分解后进行荧光检测,发现其他多片叶片在缘板位 置出现裂纹。笔者对叶片缘板出现掉块和裂纹的原 因进行了分析,并研究了叶片掉块及其裂纹与小角 度晶界值的相关关系,确定了该型叶片合适的小角 度晶界的角度控制标准。

1 理化检验

1.1 宏观分析 

叶片掉块处位于叶盆侧缘板,断裂走向曲折,大 致呈现月牙形轮廓,如图1所示。叶片缘板下表面 在掉块附近位置存在与阻尼块的挤压痕迹(此型叶 片结构通过两叶片缘板下方伸根段间的阻尼块摩擦 阻尼),此外,叶盆侧缘板可见明显沿叶高方向由下 往上的弯曲变形,如图2所示。荧光检测同台发动机其他叶片,结果数件叶片 在相同位置均出现裂纹,裂纹出现在叶片下表面,有 些未完全穿透至缘板上表面,如图3所示。且出现 裂纹叶片缘板下表面上可见与阻尼块挤压接触痕 迹,缘板可见由下往上明显的弯曲变形,这些痕迹特 征与掉块叶片相似,如图4所示。

1.2 低倍观察

将有裂纹叶片缘板表面用砂纸轻轻抛磨后,用体 积比5∶1~10∶1的盐酸双氧水溶液进行腐蚀。低倍 观察叶片缘板上表面经腐蚀后有小角度晶界显现,两 侧有因角度差形成的明显反光现象;对应位置的缘板 下表面裂纹沿小角度晶界开裂并曲折扩展(裂纹未穿 透至上缘板),如图5所示。可见叶片缘板裂纹沿着 缘板的小角度晶界自缘板下表面起源扩展。 

1.3 断口分析

在体视显微镜下分析掉块叶片断口,可见表面呈现从黄绿色到蓝色不等的高温氧化色。断口粗 糙,且整体呈现沿厚度方向的树枝状的枝晶轮廓,为 典型的枝晶断裂形貌。裂纹叶片断口形貌与掉块叶 片断口形貌类似,如图6所示。在扫描电镜下对断 口进行微观分析,两个断口均氧化严重,低倍下呈现 沿树枝晶界面断裂轮廓,高倍下为颗粒状的氧化皮 特征,如图7所示。

2 分析与讨论 

2.1 叶 失 片 效 掉 性 块 质 和 及 裂 失 纹 效 出 原 现 因 

在叶盆侧缘板处,自缘板 下表面起源扩展,此处可见阻尼块与缘板作用的挤 压接触痕迹,同时缘板出现自下而上的宏观变形;掉 块断口与打开的裂纹断口特征相似,断口粗糙,宏观呈现树枝状枝晶断裂轮廓,微观为沿着枝晶界面氧 化断裂形貌,具有持久断裂特征[10]。 叶片发生持久断裂取决于两个因素:①此位置 的服役条件(应力和温度);②持久强度。从裂纹扩 展方式看,掉块和裂纹起源于缘板下表面,沿厚度方 向扩展至缘板上表面;且叶片叶盆侧缘板均发生不 同程度的由下往上的弯曲变形,说明叶片破坏受力 是一种沿叶片高度方向自下往上的受力形式。叶片 在高速运转下的离心力方向与裂纹扩展方向一致, 但事实上,叶片高速旋转过程中缘板之间的相互挤 压会使缘板受离心作用下的载荷降低,也即是说对 于一般的叶片结构缘板位置受到的离心力不大,缘 板位置处不管是温度还是应力,都并非最高的位置。 但此型叶片结构,在两叶片缘板下方伸根段间设计 了阻尼块进行摩擦阻尼,工作过程中,受离心作用 力,阻尼块势必挤压缘板下表面,导致缘板受到附加 应力,此受力方向也与叶片断裂受力一致,因此缘板 位置的受力环境更为恶劣。 设计方采用有限元方法,考虑缘板间隙变化以及 阻尼块中间开槽结构对接触应力的影响,计算出缘板 位置局部最大的挤压应力可高达709MPa,如图8所 示。这类结构的叶片缘板位置存在如此大的挤压应 力,那么对缘板位置的持久强度要求就更高了。 单晶叶片由于消除了横向晶界,其最大的优点 之一就是在高温下具有优良的持久强度。前面分析 表明出现裂纹叶片缘板裂纹沿小角晶界开裂,选择 3件有裂纹叶片和1件没有裂纹叶片对缘板处的小 角晶界角度进行测量(见图9),结果见表1。结果表 明,3个有裂纹叶片缘板处小角晶界均超出技术条 件要求(缘板位置不大于8°),而没有裂纹叶片缘板 处小角度晶界满足技术条件要求。虽然掉块叶片由 于掉块部分缺失,无法通过腐蚀和衍射法检测是否 存在小角度晶界超差的情况,但是根据掉块断口走 向轮廓,也可推断掉块叶片也是沿小角晶界发生断 裂。因此叶片缘板掉块和裂纹产生原因应与缘板位置小角度晶界角度过大且超出技术条件要求有关。

2.2 此 改 型 进 叶 措 片 施 

缘板裂纹产生的原因与缘板位置小角 度晶界角度过大有关,因此改进措施要从控制叶片 小角度晶界角度入手。 单晶涡轮叶片存在小角度晶界不可避免,工程 应用均是对叶片的小角度晶界有一定的控制标准。 事实上,对于不同型号的叶片,其服役条件以及叶片 结构不一样,对缺陷的控制要求也不一样,同一叶片 上不同部位所承受的温度和应力载荷不一样,对缺 陷的包容性也不一样,因此理论上应该根据叶片服 役工况,参考合金在不同小角度晶界下的持久性能 数据,对故障部位的持久强度储备进行计算,来确定 型号上单晶叶片对小角度晶界的控制标准,否则标 准制定过严,叶片合格率低会造成浪费;过松则带来 失效隐患。但事实上,目前大多国内型号商对于这 类缺陷的标准要求往往是参考国外型号或国内其他 成熟型号,此型叶片则参考的是一些通用标准(小角 度晶界不大于8°)。此型叶片靠缘板阻尼块阻尼, 本身缘板位置就承受了比普通结构更大的挤压应 力,参考通用标准可能会带来标准过松的问题。有 研究表明,带有9°小角度晶界对[001]取向的 DD6 合金的高周疲劳性能影响不大[11],但带有7.8°小角 度晶界的 DD6合金却显著降低了760 ℃/758 MPa 和850℃/550MPa下的高温持久寿命,小角度晶界 小于6°则对高温持久寿命影响不大[12]。这说明小 角度晶界主要影响着叶片的持久性能,且随着晶界 角度的增大而增大,因此在单晶叶片工程应用中,一 些超标的小角度晶界的存在将显著降低叶片的服役 寿命,造成持久失效。因此综合考虑表1的测量结 果,并考虑到测量误差以及损伤容限,改进措施不仅 要通过工艺和检验手段严格控制叶片小角度晶界来 满足技术条件要求,更需要将小角度晶界的角度适 当加严控制。因此将此型叶片的小角度晶界技术条 件要求由不大于8°提高到不大于6°。截止目前,未 发现有小于6°的小角度晶界的叶片发生此类失效 事件。 

3 结论及建议

叶片缘板出现掉块和裂纹性质为持久断裂失 效。叶片缘板裂纹产生原因与缘板位置小角度晶界 角度过大有关。 建议将此型叶片的小角度晶界技术条件要求由 不大于 8°提 高 到 不 大 于 6°,且 加 强 工 艺 和 检 验 控制。

来源：材料与测试网